【正文】 第五篇：竹炭研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢（模版）竹炭研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢俞 佳 燕（浙江臨安 311300）摘要：本文主要講述了竹炭的起源，竹炭在國內外的研究現(xiàn)狀，竹炭炭化工藝和物理化學性質，竹炭的用途，同時結合竹炭產品開發(fā)的多樣性所涉及到食品行業(yè)，提出要人們慎食竹炭食品，根據(jù)竹炭的發(fā)展現(xiàn)狀，提出了竹炭的發(fā)展趨勢和幾點建議。關鍵詞：竹炭、炭化工藝、竹炭用途、發(fā)展現(xiàn)狀、發(fā)展趨勢竹炭（BC）是竹材高溫熱解的固體產物，空隙發(fā)達，比表面積大，具有很強的吸附能力，以及良好的導電性能。作為機能性的環(huán)境保護材料，竹炭由于其獨特的性質和產品的高附加值，越來越受到人們的重視，成為竹材研究領域的一個新熱點［12］。在大氣污染和水污染的治理方面具有廣闊的應用前景。它的出現(xiàn)不僅為竹材產業(yè)的可持續(xù)發(fā)展提供了一個新的研究和應用領域，同時也為環(huán)境保護提供了一種新型材料[3]，同時人們也逐漸意識到了竹炭在環(huán)境、保健、醫(yī)藥、高技術等領域有著潛在和廣泛的應用前景[4]。在中國，炭有著悠久的歷史。而使用炭，那更是與生俱來的。大概從雷電點燃原始森林使自然形成的木炭橫空出世那一刻起，我們的先民們便開始想用炭帶給人們的種種環(huán)保和健康的生活。在兩千多年前，中國在炭材料的使用上創(chuàng)造了世界奇跡。馬王堆木炭的應用就是中國古代使用木炭杰作之一。中國的先民們就已經知道炭的防腐作用。在1972年3月，湖南長沙東郊，中國考古學家發(fā)掘了馬王堆一號漢古墓時，墓葬兩千多年的軟侯夫人的肌膚狀態(tài)仍如同剛剛死去?？脊艑W家究其原因，是因為墓葬當時人們在棺木中安放了萬斤木炭。正是用于這些木炭，軟侯夫人的尸體外形完整，全身柔軟光滑，皮膚呈淡黃色狀，肌肉和皮膚有彈性，各關節(jié)可自由彎曲。無獨有偶，在日本的古墓中也發(fā)現(xiàn)了使用炭保存遺體的辦法，那些遺骨和木乃伊的狀態(tài)十分理想。雖然津輕承公的完整的木乃伊狀態(tài)只有死后一千年的歷史，但也證實了酷愛研究科技的日本人在墓中放置了大量木炭的成效。竹炭這種新型環(huán)保產品幾年前首先在東南亞地區(qū)興起，逐步風靡日本、韓國、臺灣、新加坡。竹炭產品在國內是在2003年“非典”以后逐步進入市場的。目前，國際市場對環(huán)保產品需求量較大。中國是竹的故鄉(xiāng)。以竹炭為原料制作的產品有100多種。由于竹炭產品的價格較高，其銷售處于“墻內開花墻外紅”階段，但隨著人們環(huán)保意識的普遍提高，竹炭這一新型環(huán)保產品進入尋常百姓家是指日可待。我們對竹炭的功效還有些陌生，但在日本、韓國等地城市居民將竹炭用于日常生活已經有十來年的歷史了。目前世界上竹炭的消費主要在日本、韓國、新加坡、臺灣等國家和地區(qū)，這些市場對竹炭的需求基本穩(wěn)定。在那里，人們已經很習慣將竹炭列為生活日用品之一，他們特別認可竹炭的環(huán)保和保健功能，所以，竹炭店到處都是，頗受大家的歡迎。我國竹炭的生產主要集中在浙江、福建和江西等地，目前的生產廠家有幾十家，但大都是近23年發(fā)展起來的，一般是采用采購原炭，自己生產各種制品。只有2030%的廠家是10多年前生產木炭的企業(yè)改變產品而來，他們大都具有自己的炭窯，其中一小部分廠家具有竹炭纖維的技術。竹炭制品的研究在國外主要是日本和韓國，主要研究關于竹材炭化過程、竹炭、竹醋液和竹活性炭的制造和利用。日本竹炭和竹醋協(xié)會名譽會長、京都大學木質科學研究所科學家野村隆哉是這方面的專家。他認為，由于工業(yè)文明對生態(tài)系統(tǒng)的破壞等全球性環(huán)境問題日益突出，天然素材在炭化后所產生的碳結構的物理和化學功能正在受到高度重視。如竹炭的固體表面的物理性質、竹炭的固有振動產生的微弱電磁波與人體的共鳴現(xiàn)象、竹炭的半導體功能和屏蔽電磁波功能及負離子效應等，竹醋對過敏性皮炎和糖尿病等疾病的療效、促進毛發(fā)生長作用、對植物的生理活性功能等。野村隆哉主張對這些物理和化學機理進行研究，并且積極地為它們開拓用途。日本中村和善提出可用低溫干餾炭作脫臭、調濕的功能材料以及用竹炭粉作電磁波屏蔽的材料。浦銀治認為竹炭對CO:的吸附性能高，不腐爛、保水、透水、保肥性好，可作土壤改良劑使用。佐久間對竹炭的熱水冷卻試驗，發(fā)現(xiàn)加了竹炭的熱水不容易變涼，認為如果把竹炭加在洗澡水中，即使是自來水，也可獲得類似溫泉那樣的滿足感。千葉大學的研究成果表明，竹醋的主要成分是醋酸，從中可分離出10種酚衍生物，對于如白粉病等某些植物病害也有抵抗作用。由日本農山漁村文化協(xié)會出版的《竹炭和竹醋液的制造方法與用途》一書全面地論述了日本目前關于竹炭和竹醋的研究和應用情況。作者池島庸元說，竹炭和竹醋今后在環(huán)境保護、農業(yè)和醫(yī)療等方面可望發(fā)揮新的作用[6]。在韓國國內，有人在做飯時，將竹炭包在紗布內放入飯中，煮出的飯味兒更[5]香；泡澡的水里放上一點竹炭，全身倍感融融暖意。韓國許多工廠生產的健康枕頭，用的就是竹炭。多孔性竹炭不僅可以蓄留植物根部所需水分，還可以改善土壤的透氣性和排水性，為植物的微生物提供良好的生存空間。因此在園林綠化中，盆栽土里摻進豆粒大小的竹炭，能為植物提供健康的生長環(huán)境。對庭院樹木，則增強了抗病蟲害的能力。一些裝飾性竹炭，猶如吸水石，放于相宜的盆里，本色、自然，春秋筆法赫然在焉。這樣的裝飾可去臭去濕，放在電視機或其它家電用品周圍，還可起到防電磁波作用。竹炭作為一種全新的健康環(huán)保時尚產品，不僅在新加坡的軍工、醫(yī)藥等行業(yè)得到廣泛應用，更多的是在生活消費領域的應用，它以其獨特的健康保健作用被大多數(shù)消費者所接受，成為一種健康消費時尚。目前在新加坡市場上有 12 大系列 100 多個品種。如床上用品系列、汽車坐墊系列、鞋墊系列、美膚品系列、廚用品系列、工藝品系列、炭布系列、竹醋液等。哥倫比亞對于竹炭速干布料的研制，已成功生產出竹碳內衣。它的保暖，是因為使用的材料是納米級的遠紅外線纖維，能吸收外界與人體的體溫，達到蓄熱保溫的功能，工研院檢測發(fā)現(xiàn)，竹炭紗的調節(jié)溫度效果為一般棉制品的一倍。竹炭內衣中竹炭紗還能有促進血液循環(huán)，塑身保健減肥，紡織研究所研究發(fā)現(xiàn)，竹炭服飾可以提高人體淺層微血管內的血液流量約30%，有效降低疾病的風險。而血液循環(huán)好，又有助于皮下多于脂肪的代謝，避免脂肪囤積或血管阻塞[7]。關于竹炭和竹醋液的研究是近幾年剛剛興起的新的研究領域，由于竹子的分布特性所決定，使對竹炭的研究具有很強的區(qū)域性。國內對竹炭的生產和研究主要集中在浙江、江西、福建一帶。在竹炭的機能性機理的研究方面，張齊生院士領導的研究小組對竹炭的構造、機能以及對飲用水的凈化做了比較詳細的研究[89]。另外，許多科研單位的研究人員對竹炭的生產和應用方面做了大量的研究。葉良明教授等主要針對竹炭的燒制進行研究 [1011]；還有其它學者對竹炭的含水率、揮發(fā)成分、竹醋液的成分等指標進行了檢測[12]。此外，還可利用竹炭開發(fā)醫(yī)藥保健品。如將竹炭粉與助劑混合裝入衣服、織物、枕頭、帽子、墊子和寵物用具等物品制成保健品，它具有清凈空氣作用、按摩作用、除臭作用、紅外線作用、調溫調濕作用、抗菌和殺蟲的作用。在醫(yī)藥上利用竹醋液作防菌殺菌劑和治療皮膚病等醫(yī)藥原料，提取甲醇和醋酸等作化工原料，其他還有染料媒染劑、動物除臭劑、農藥添加劑、發(fā)根促進劑、土壤改良劑、動物營養(yǎng)劑等。中國的竹炭產業(yè)發(fā)展前景寬闊。生產企業(yè)生產主要集中在江浙沿海一帶，僅浙江省為例。在五、六年時間內，浙江的竹炭生產產業(yè)發(fā)展迅猛，比較有名的企業(yè)主要集中在遂昌、衢江、安吉、寧波和慶元等地，年產量達3000t以上，產值達30004000萬元，竹炭品種開發(fā)也不斷深入，目前已開發(fā)出建筑、環(huán)保、保健、工藝、化妝等6大類100多個品種的竹炭產品，浙江省已成為竹炭產業(yè)發(fā)展的重要生產與貿易基地，并且成為山區(qū)林業(yè)產業(yè)經濟發(fā)展的新亮點[13]。 炭用材一般選用4年以上竹齡和竹材加工剩余物。因竹材從基部到梢部，其密度、腔壁結構、組成物質都有一定的差異，同時竹材的材性又受竹齡、立地條件、氣候環(huán)境的影響。竹材中含大量糖類等營養(yǎng)物質，易發(fā)生霉蛀。因此，要選擇竹齡、大小、立地條件相近的竹材一起裝窯，注意竹材的保管、窯中竹材的松緊度等問題。熱解工藝條件決定了竹炭的品質，可結合窯體的實際情況，準確控制窯溫，尤其是精煉溫度，它是竹炭品質的重要指標，不同的用途采用不同的燒制工藝曲線。竹材的熱分解是在溫度稍高于100℃時開始的，在150℃以下，竹材受熱分解速度很慢，隨著溫度的升高，竹材受熱分解速度顯著加快；溫度上升到約270℃以上時，分解反應劇烈進行。溫度達500℃時，分解反應基本結束。與木材一樣，竹材的熱分解過程，包括四個階段：加熱溫度為100150℃之間，竹材分解的速度緩慢，主要是竹材組織中的吸著水受熱蒸發(fā)逸散，但竹材的化學組成，沒有明顯變化；但隨著加熱時間的延長，竹材中的戊聚糖含量是可能降低，竹材的物理力學性質有所改變。加熱溫度為150270℃，竹材受熱分解速度加快，其中的化學組成發(fā)生明顯的分解反應，比較不穩(wěn)定的組份如半纖維素受熱分解生成COCO、H2O和少量的乙酸等物質。上述兩個熱分解階段，需要外界供給熱量，亦即竹材的吸熱分解階段。加熱溫度升高至270450℃，竹材熱分解反應劇烈，伴隨產生大量的熱分解產物，生成的氣體中，CO2和CO的量逐漸減少，而碳氫化合物如甲烷、乙烯、烯烴類及各種活性高能的氫自由基和羥基，則逐漸增多；生成的液體主要有乙酸、甲醇、丙酮和木焦油。這一階段放出大量的反應熱，稱為放熱反應階段；而放熱反應溫度隨加熱速度而異。溫度繼續(xù)升高到450℃以上時，生成的液體產物已經很少，這個階段借助外部的熱量，除去殘留在木炭中的揮發(fā)物質，及木炭的煅燒。以上四個階段，沒有明顯的界限，甚至同一試件的外表和內部，都可能同時處于不同的熱分解階段。經冷卻出窯的竹炭，因竹炭的吸水性強，如果儲存環(huán)境潮濕，空氣混濁，竹炭大量吸水、吸味，這無疑會影響產品的功效。所以應選擇空氣干燥清潔的倉庫，并根據(jù)出窯日期、精煉度的不同分類堆放。根據(jù)質量要求依次分批進行加工，在加工前應先抽檢其精煉度，然后根據(jù)精煉度的不同分類加工成片炭、筒炭。規(guī)格尺寸應嚴格按照客戶的要求加工，片炭、筒炭不應有裂縫、缺角等，并把粉塵擦干凈。作為顆粒炭和粉炭除按客戶規(guī)定的規(guī)格加工外，應特別注意雜質（泥沙等）問題，否則將嚴重影響產品信譽[14]。竹炭同竹材外觀上相比，纖維素束外鞘變得致密，纖維素細胞腔中一些揮發(fā)物質減少。竹炭主要是由碳、氫、氧等元素組成，呈六角形，質地堅硬，細密多孔。炭化后的竹材仍然基本上保持密實狀態(tài)[15]，外表面仍然保留著竹材表皮粗糙不平的顆粒狀態(tài)，繼承了竹材的多孔狀和各向異性構造特征，但是竹材基本組織細胞的細胞壁間隙消失，細胞壁變薄[16]。竹炭組織中的礦物是木炭的5倍[17]，1cm3竹炭的表面積可達350m2，～3倍，若進一步活化成竹活性炭，則其比表面積可達1000m2以上[18]。竹炭的吸附能力是木炭的10倍以上。木炭的PH值隨著炭化溫度的增加從酸到堿性變化，但是竹炭的PH值不管炭化溫度怎么變化都能保持堿性，并且竹炭的灰份和鉀含量好象和PH值有關。在吸濕解析的高溫區(qū)域，竹炭的調濕能力比木炭強。竹炭片炭含水率5%～8%，顆粒炭含水率14%～18%；固定碳含量85%～88%；灰分含量（鉀、鈣）2%～4%；比表面積300～600m1；揮發(fā)分6%～8%；干碳熱值30000～33000kJ/kg；PH值8～9；～[19]。(1)燃料:由于竹炭系各種竹材炭化而成，安全性受到信賴，作為燒烤，野炊的燃料，清潔而有情趣，加上目前對其他薪炭材的砍伐限制，作為燃料的竹炭前景看好。(2)竹活性炭:竹炭經水蒸氣法活化處理后具有均勻的細孔狀結構，比表面積從50om2/g增加到90om2/g，其竹活性炭的得率為68%，具有和椰子殼活性炭同等以上的比表面積和吸附率。(3)住宅環(huán)境材料:大理石，花崗巖，磁磚類建材，表面容易結露，而三夾板類又容易霉爛蟲蛀。用竹炭裝填地面和墻壁，由于竹炭對空氣中水分的吸濕和解吸調節(jié)，加上竹炭的負離子作用，能保持住宅內部環(huán)境舒適宜人，心神安定。也茶館以此來吸引顧客。(4)水質處理:不僅用來處理自來水，還用來處理污水，河道，漁場，是竹炭浴和摻有用自然物治理環(huán)境的極好例子[20]。(5)健康和美容上的應用:用竹炭制作枕頭，有利于睡眠竹炭的美容霜具有特殊的皮膚護理功效[21]。在一些超市、賣場中，一系列用竹炭加工出來的食品進入了人們的視線，有竹炭花生、竹炭金納豆、竹炭面條、竹炭面包、竹炭酒等，由于商家標榜該類食品具有吸附人體內有害物質，凈化血液中毒素的功效，引起了不少消費者的興趣。有關專家認為，炭可以吸附微小顆粒，在中醫(yī)上從古至今有很多的應用，但是竹炭在中醫(yī)領域卻鮮用于臨床。根據(jù)竹炭食品的宣傳，竹炭可以吸附人體內有害物質，凈化血液中的毒素，還有助于人體消化排泄，清潔腸道，具有排毒養(yǎng)顏之功效。其在理論上是成立的，但在實踐中將竹炭粉添加進食品中就具備種種保健功效，并沒有相關的科學實驗作為依據(jù)。有關資料顯示：目前尚沒有任何關于食用竹炭粉對人體有益的報告（包括動物實驗的報告），活性炭多用于空氣和水的凈化，其食用功能尚未明確。竹子雖然是天然的植物，竹筍也是中國料理的重要佳肴，但竹材在高溫炭化過程中會發(fā)生復雜的化學反應，產生許多復雜化合物，其中焦油就是一種致癌物，必須再精制后才能將焦油除去，若將不當加工后的竹炭或竹醋液直接拿來食用是非常危險的行為。另外，竹炭在加熱分解時所產生的甲醇亦有毒性。食用竹炭后，細微顆粒很可能吸入肺里，吸附在肺葉上，而且它吸附性極強，吃下去后很難排出體外，容易形成“塵肺”。有鑒于此，專家認為不要輕信所謂竹炭食品的神奇療效，選用食品，要看其本質，不要被表象迷惑，對于食用竹炭食品應采用謹慎的態(tài)度[22]。日本京都大學的野村隆哉進行過竹炭燒制的前處理研究。他對炭材進行煙熏前處理后發(fā)現(xiàn) ,經過煙熏前處理的炭材燒制的竹炭質量好；根據(jù)竹炭的不同功用，可以通過控制炭化溫度來實現(xiàn)目的；對炭化的工藝和設備的研究方面，主要集中于土窯、簡易爐和連續(xù)式干餾爐；研究竹炭的機能性及利用竹炭機能性開發(fā)新型材料，比如開發(fā)凈水和空氣凈化炭以及制作內含竹炭粉的枕頭、帽子、墊子等生活用品和農林業(yè)的應用研究；目前，竹炭研究還存在不少薄弱方面，比如：竹炭屏蔽電磁波的能力；燒制溫度與竹炭的比表面積及電阻率之間的變化規(guī)律；竹炭產生遠紅外線的能力及其遠紅外線的波長；竹炭凈化空氣和調節(jié)空氣濕度的機理和規(guī)律等。為了使竹炭及其制品能走進千